Druk 3D w architekturze
Neri Oxman z Massachusetts Institute of Technology wymienia trzy fazy technologii budownictwa w historii architektury i projektowania architektonicznego. Pierwszą z nich jest rzemiosło, drugą – standaryzacja elementów budowlanych, natomiast trzecią stanowi cyfrowe wytwarzanie dzięki technikom z zakresu fabrykacji, umożliwiające realizację najodważniejszych projektów. Jednym z wiodących tematów ostatnich lat, dotyczących nowych technologii, jest z pewnością druk 3D.
Drukarki 3D
Druk 3D znajduje zastosowanie w większości nauk ścisłych, procesów produkcji oraz dziedzin sztuki, pobudza wyobraźnię i wskazuje kierunki rozwoju. Jednak nazywanie tego rozwiązania rewolucyjnym mija się z prawdą. Takie określenie często wiąże się z niewiedzą w tym obszarze lub służy wypromowaniu wyrobu, np. poprzez chwytliwe tytuły materiałów prasowych. Należy mieć świadomość, że pierwsze i jednocześnie dominujące technologie druku trójwymiarowego, takie jak FDM (ang. fused deposition modelling), SLS (ang. selective laser sintering) czy SLA (ang. stereolithography), zostały opatentowane już w latach osiemdziesiątych ubiegłego wieku przez gigantów tego rynku – firmę Stratasys oraz 3D Systems.
Wygaśnięcie wiodących patentów umożliwiło w ostatnich latach wielu producentom modyfikację technologii i wprowadzenie własnego sprzętu do masowej sprzedaży. Duża konkurencja na rynku drukarek przyczyniła się do obniżenia ich cen do poziomu poniżej 5000 dolarów, uproszczenia obsługi oraz oprogramowania sterującego w myśl zasady plug & play. Dziś technologia druku przestrzennego jest niezwykle popularna. Coraz częściej można spotkać sprzęt 3D jako jedno z domowych urządzeń, obok skanera czy tradycyjnej drukarki. Jednak dopiero w rękach osób ze środowisk kreatywnych, takich jak architekci, druk trójwymiarowy staje się niezwykle potężnym narzędziem, umożliwiającym realizację niestandardowych projektów istniejących tej pory jedynie w sferze wirtualnej.
Termin „druk trójwymiarowy” został bezkrytycznie przyjęty jako wspólne hasło, w ramach którego zawarto definicje wieluodrębnych technologii. Osobom, które nie miały z nimi styczności, może się wydawać, że jest to zaawansowana aparatura od ręki wytwarzająca dowolne kształty na polecenie użytkownika, jednak w większości przypadków proces przebiega znacznie prościej. Podstawową zasadą druku przestrzennego jest tworzenie obiektów warstwa po warstwie. Wirtualny model zostaje przeanalizowany przez program oraz podzielony na wiele przekrojów poziomych, na podstawie których zostaje wygenerowana instrukcja dla urządzenia (np. G-Code). Postępując według zawartych w niej komend, drukarka wytłacza materiał w odpowiednich miejscach w obrębie jednego z poziomów. Po wykonaniu pełnego polecenia głowica drukująca przechodzi na wyższą warstwę, budując kolejny przekrój i ponawia tę operację do momentu aż powstanie przestrzenny obiekt. Tak naprawdę mamy więc do czynienia z wielokrotnie powtarzanym drukiem 2D. Jak zatem trafniej nazwać omawiane rozwiązania?
Wspólnymi mianownikami dla terminów wchodzących w zakres druku 3D są technologie addytywne oraz urządzenia CAM (ang. computer aided manufacturing). Pierwsze z nich odnoszą się do uzyskiwania obiektów z tworzywa pozbawionego wstępnej formy, ograniczając straty materiałowe do minimum, co brzmi obiecująco w kontekście budownictwa – oznacza zmniejszenie zużycia surowców w trakcie procesu budowlanego (w opozycji do nich są technologie subtratywne, polegające na odejmowaniu materiału w celu uzyskania pożądanego kształtu). Drugim pojęciem, które zawęża definicje dostępnych rozwiązaniań do tych potocznie nazywanych drukiem 3D, jest computer aided manufacturing (z ang. produkcja wspomagana komputerowo). Jest to metoda stosowana przy realizacji projektów inżynierskich, wykorzystująca urządzenia sterowane cyfrowo, takie jak frezarki (technologia subtratywna) czy giętarki (technologia formatywna).
Format drukarek 3D może wydawać się bezużyteczny w skali, jaką operuje architektura. W przypadku znacznej większości najpopularniejszych modeli nie przekracza on bowiem swoimi wymiarami sześcianu o krawędzi 20 cm. Podstawowym zastosowaniem opisywanej technologii w praktyce architektonicznej jest tworzenie makiet budynków, które można wydrukować w całości, jeżeli pozwala na to przyjęta skala, lub w elementach do późniejszego montażu. W przypadku nawet prostych brył geometrycznych należy mieć na uwadze pracę, jaką trzeba wykonać przed rozpoczęciem druku, aby oszacować, czy ta technika wykonania makiety będzie optymalna. Sam proces fabrykacji jest czasochłonnym przedsięwzięciem – może trwać, w zależności od rozmiaru elementu, nawet kilkanaście godzin Model trójwymiarowy powinien zostać przygotowany w ściśle określony sposób, co w większości przypadków wiąże się z potrzebą stworzenia dodatkowego modelu wykorzystywanego tylko podczas druku 3D. Częstym problemem okazują się zbyt wąskie ściany obiektów, które w założonej skali będą niemożliwe do wyprodukowania przez urządzenie, oraz stropy, które z kolei wymagają dodrukowania podpór w technologii FDM. Każda z nich w procesie postprodukcji makiety musi zostać usunięta, co może prowadzić do zniszczenia elementu. Istnieją natomiast przypadki, kiedy przestrzenny wydruk koncepcji architektonicznej nie może być zastąpiony żadną inną powszechnie dostępną metodą fabrykacji. Żyjemy w dobie przemian narzędzi wykorzystywanych przez architektów w ich codziennej praktyce.
Projektowanie parametryczne
Bryły – do tej pory nieosiągalne bądź zaawansowane geometrycznie – są dziś na wyciągnięcie ręki dzięki oprogramowaniu do projektowania parametrycznego. W rezultacie otrzymujemy formy, które na podstawie wyłącznie rysunków technicznych czy wizualizacji mogą być niezrozumiałe dla odbiorcy. Rozwiązaniem jest wykonanie makiety obiektu, co również dla samego twórcy stanowi wstępną weryfikację przestrzenną własnej koncepcji.
W przypadku skomplikowanych geometrycznie budynków jedynym sposobem na ich wierne przedstawienie w formie makiety jest technologia druku 3D. Znakomity przykład możliwości jej wykorzystania stanowi projekt ProtoHouse1.0, autorstwa angielskiej grupy SoftKill Design z Architectural Association School's Design Research Lab. Zaprezentowana podczas targów 3D Print Show 2012 w Londynie makieta w skali 1:33 została wydrukowana w technologii SLS, co pozwoliło wyeliminować problem nadwieszanych elementów. Projekt przedstawiał innowacyjną koncepcję redefiniującą dotychczasowe podejście do architektury oraz procesów projektowych. Cały budynek wraz z wyposażeniem został przeanalizowany pod kątem konstrukcyjnym. Następnie, wykorzystując algorytm symulujący rozrost tkanki kostnej, tradycyjne składowe obiektu zastąpiono włóknistą strukturą w celu optymalnego przeniesienia sił pomiędzy nimi. Ażurowa, emergentna konstrukcja nie byłaby możliwa do uzyskania w formie makiety bez dostępu do technologii druku 3D. Sam model stanowił pierwszy krok w stronę ambitnej, choć niestety niezrealizowanej, koncepcji fabrykacji zaprezentowanej budowli w pełnej skali.
Pierwszy budynek wydrukowany w 3D
Nieoczekiwanie miano pierwszego budynku wydrukowanego w technologii 3D przypadło projektowi autorstwa, wcześniej nierozpoznawalnego na szerszą skalę, WinSun Decoration Design Engineering z siedzibą w Szanghaju. W marcu 2014 roku firma zaprezentowała aż 10 domów jednorodzinnych o powierzchni 200 m², których koszt, dzięki wykorzystaniu betonu pochodzącego z recyklingu, nie przekraczał kwoty 4800 dolarów. Jednak proces powstawania pojedynczego budynku dalece odbiegał od oczekiwań. Elementy prefabrykowano w hali produkcyjnej przy pomocy kilkumetrowego urządzenia, przypominającego typową drukarkę technologii FDM, rozprowadzającego ciekły beton wedle określonej instrukcji i tworzącego w ten sposób identyczne przekroje o grubości 1 m. Niestety inwestycja nie była spełnieniem futurystycznych wizji, a zderzeniem z rzeczywistością.
Montaż komponentów odbył się dopiero na miejscu budowy, co w zakresie procesu technologicznego nie odbiegało od standardowych obiektów prefabrykowanych. Kolejną wadą realizacji był brak otworów okiennych wzdłuż dłuższej elewacji, co zostało częściowo zrekompensowane całkowitym przeszkleniem frontu oraz przeciwnej strony budynku. Należy jednak pamiętać, że jest to pierwsze przedsięwzięcie zrealizowane w takim dużym stopniu przy wykorzystaniu druku 3D, który był narzędziem służącym osiągnięciu jasno określonych celów – przyśpieszenia oraz zautomatyzowania procesu budowlanego przy jednoczesnym obniżeniu kosztów budowy i ponownym wykorzystaniu materiału konstrukcyjnego. Aktualnie firma WinSun ma na swoim koncie ponad 98 patentów z zakresu materiałów konstrukcyjnych, a także kolejne zrealizowane, dzięki użyciu druku 3D, obiekty, do których należą willa i pięciokondygnacyjny budynek mieszkalny. Z pewnością należy śledzić projekty tej chińskiej firmy, która przeciera szlak wielu architektom.
Równolegle, po drugiej stronie globu, startup MX3D we współpracy z TU Delf oraz firmą Autodesk zaproponowali zupełnie odmienną technikę, pozwalającą na druk trójwymiarowy obiektów w pełnym tego słowa znaczeniu. Projekt zakładał wykorzystanie sześcioosiowych ramion sterowanych numerycznie do stworzenia kładki pieszej nad kanałem w jednej z dzielnic Amsterdamu. Do niedawna roboty przemysłowe kojarzyły się wyłącznie z halami produkcyjnymi i wykonywaniem jednej zaprogramowanej czynności. Wraz ze wzrostem zainteresowania części środowiska alternatywnymi metodami cyfrowej fabrykacji oraz rozwojem oprogramowania do projektowania parametrycznego, wiodące światowe instytucje naukowe, zajmujące się projektowaniem komputacyjnym, rozpoczęły badania nad wykorzystaniem w architekturze robotów. Najważniejszą przewagą tej technologii fabrykacji jest możliwość swobody ruchu głowicy drukującej, zainstalowanej na końcu ramienia. Takie rozwiązanie pozwala na nakładanie materiału w dowolnym kierunku, dzięki czemu otrzymujemy wcześniej nieosiągalne w tej skali formy geometryczne bez wspierania konstrukcji w trakcie fabrykacji. W efekcie powstaje stalowa kratownica przestrzenna, niemożliwa do uzyskania w tak precyzyjny sposób przy wykorzystaniu tradycyjnych technik produkcji.
Jednym z najciekawszych dokonań zaprezentowanych przez MX3D jest rozwiązanie problemu zbyt małego obszaru roboczego ramion. Postanowiono umożliwić robotom przemieszczanie się wzdłuż kładki w trakcie jej fabrykacji, co pozwoliło w pełni zautomatyzować proces budowy bez potrzeby montażu struktury z mniejszych fragmentów (w najbliższym czasie będziemy zatem świadkami rzeczywistego druku przestrzennego w skali architektury, choć niestety, ze względów bezpieczeństwa, sam etap wznoszenia obiektu będzie musiał odbyć się w pobliskiej hali produkcyjnej). Koncepcja MX3D eliminuje wiele wcześniejszych ograniczeń, takich jak maksymalne wymiary elementów, konieczność prefabrykacji czy brak możliwości wykorzystania w pełni potencjału druku 3D. W przypadku kładki robot porusza się horyzontalnie bez napotykania przeszkód. Przy wznoszeniu budynku barierę stanowić będzie jedynie praca na wyższych kondygnacjach oraz trudno dostępne przestrzenie o wymiarach mniejszych niż rozpiętość ramienia.
Drony w architekturze
Odpowiedzią na ograniczenia techniczne druku 3D w architekturze jest zastosowanie dronów – bezzałogowych statków powietrznych z możliwością autonomicznego systemu sterowania. Użycie prostych, zaprogramowanych, porozumiewających się między sobą urządzeń latających o różnej funkcji, pozwala na realizację wszelkich koncepcji. Inspiracją dla tego typu rozwiązań jest inteligencja stadna żywych organizmów, które na podstawie zestawu prostych reguł, bez otrzymywania zewnętrznych poleceń, są w stanie wspólnie stworzyć skomplikowane geometrycznie struktury, pełniące ściśle określone funkcje.
Żyjemy w niezwykle interesującym okresie rozwoju techniki, która ma coraz większy wpływ na osiągnięcia architektury. Symbioza pomiędzy projektantami a naukowcami przynosi rozwiązania często odbiegające od realiów pracy architekta. Te utopijne wizje, wcielane w ostatnim czasie w życie, stanowią jednak dowód nadchodzących zmian w zawodzie wspomnianej grupy specjalistów, do których powinni się oni przygotować.
